Регулируемая гистерезисная муфта в системе привода запорной арматуры тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат наук Динь Конг Кюи

• Динь Конг Кюи
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Динь Конг Кюи

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ

1.1...............Анализ трубопроводной арматуры: конструкция, основные

особенности эксплуатации и управления

1.2. Управление запорной арматурой с помощью электроприводов

1.3. Анализ технических решений гистерезисных муфт для различных областей применения

1.4. Перспективы применения электромагнитных гистерезисных муфт в составе электроприводов запорной арматуры

1.5. Выводы по главе 1 и постановка задач исследования

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА И ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ГИСТЕРЕЗИСНОЙ МУФТЫ

2.1. Алгоритм и методика расчета ЭМГМ различных конструкций

2.2. Расчет магнитной цепи

2.2.1. Расчет магнитной цепи ЭМГМ с внутренней подвижной обмоткой возбуждения

2.2.2. Расчет ЭМГМ с подвижной наружной обмоткой возбуждения

2.2.3. Расчет ЭМГМ с неподвижной наружной обмоткой возбуждения

2.2.4. Расчет ЭМГМ с неподвижной внутренней обмоткой возбуждения

2.3. Разработка имитационной модели ЭМГМ

2.4. Выводы по главе

ГЛАВА 3. ОПТИМИЗАЦИЯ ЗУБЦОВОЙ ЗОНЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ГИСТЕРЕЗИСНОЙ МУФТЫ И АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ НАМАГНИЧИВАНИЯ ГИСТЕРЕЗИСНОГО СЛОЯ

3.1. Оптимизация зубцовой зоны ЭМГМ на основе имитационной модели

3.1.1. Перемагничивание гистерезисного материала в муфте

3.1.2. Моделирование и оптимизация зубцовой зоны ЭМГМ

3.2. Анализ процессов намагничивания гистерезисного слоя в диапазоне частот вращения ЭМГМ

3.3. Механические характеристики ЭМГМ

3.4. Выводы по главе

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ГИСТЕРЕЗИСНОЙ МУФТЫ И ВАРИАНТЫ РЕАЛИЗАЦИИ ЭПЗА НА ЕЕ ОСНОВЕ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. Анализ регулировочных характеристик ЭМГМ

4.2. Тепловой расчет ЭМГМ

4.3. Варианты реализации ЭПЗА на основе ЭМГМ

4.4. Экспериментальное исследование ЭМГМ с неподвижной обмоткой управления

4.5. Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Регулируемая гистерезисная муфта в системе привода запорной арматуры»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В многочисленных электроприводных системах электрический двигатель соединяется с производственным механизмом через муфту, служащую для передачи механической энергии с ведущего вала на ведомый при ограничении крутящего момента.

Весьма распространенными системами являются электроприводы (ЭП) запорной арматуры (ЭПЗА) для перекачки нефти и газа, в которых требование ограничения крутящего момента является обязательным условием безопасного и надежного функционирования трубопроводного транспорта нефтепродуктов. ЭПЗА выполняет функции перекрытия сечения трубопровода с фиксированным ограничением момента приводного двигателя (ПД) в условиях широкого температурного диапазона и удаления от диспетчерских пунктов и центральных электросетей.

Одним из вариантов построения ЭПЗА на основе гистерезисного принципа преобразования энергии является ЭП на базе широко применяемого асинхронного двигателя (АД) и управляемой электромагнитной гистерезисной муфты (ЭМГМ) с простым блоком для регулирования постоянного тока управления. В этом случае ЭМГМ располагается между АД и редуктором, предотвращая увеличение момента уплотнения клина задвижки сверх максимально допустимых значений. Если требуется изменить моменты уплотнения (вытяжки) применяется простейшая схема регулировки тока обмотки управления ЭМГМ на выходе или в составе выпрямителя.

Гистерезисные муфты в режиме несинхронного вращения, торможения или пуска работают с постоянством момента, что может явиться решающим фактором для безотказной работы технологического механизма - запорной арматуры. При этом возможно устранение сложного блока электронного управления на основе частотных преобразователей или тиристорных регуляторов с ограничением вращающего момента на основе его идентификации, значительно снижающих надежность электропривода запорной арматуры.

При большой распространенности ЭПЗА, в частности, в нефтегазовой отрасли, поиск новых технических решений ЭПЗА, позволяющих повысить надежность их работы в сложных условиях эксплуатации, снизить материальные затраты при изготовлении и эксплуатации, является актуальной задачей.

Объектом исследования является регулируемая ЭМГМ, работающая в составе ЭПЗА.

Предметом исследования являются электромагнитные процессы преобразования энергии в регулируемых гистерезисных муфтах.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование регулируемой гистерезисной муфты для применения в электроприводах запорной арматуры нефтегазопроводов.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Изучить особенности эксплуатации, задач и технических решений ЭПЗА для трубопроводов в нефтегазовой отрасли.

2. Проанализировать технические решения ГМ с целью определения возможностей их применения в ЭПЗА для трубопроводов в нефтегазовой отрасли.

3. Разработать конструктивные варианты ГМ с электромагнитным управлением.

4. Разработать математическую, имитационную модели, а также алгоритм расчета ЭМГМ.

5. Провести оптимизацию зубцовой зоны ЭМГМ с неподвижной обмоткой управления.

6. Проанализировать возможности функционирования ЭМГМ на основе сплава Fe-Cr-Co в диапазоне возможных частот вращения.

7. Произвести оценку теплового состояния ЭМГМ при перемагничивании гистерезисного слоя в режиме уплотнения (вытяжки) клина ЗА.

8. Проанализировать регулировочные возможности разработанных вариантов ЭМГМ.

9. Оценить массогабаритные показатели разработанных вариантов ЭМГМ.

Методы исследований. В диссертационной работе применяются математическое и имитационное моделирование, а также экспериментальные исследования. Для построения регулировочных характеристик применяется численный метод - метод последовательных приближений.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Получены и проанализированы зависимости вращающего момента от геометрических параметров зубцовой зоны муфты.

2. Разработана имитационная модель ЭМГМ с неподвижной обмоткой управления, позволяющая анализировать электромагнитные процессы в ней.

3. Получены оптимальные значения геометрических размеров зубцовой зоны ЭМГМ, позволяющие достичь максимальный вращающий момент при фиксированных значениях габаритов и веса муфты.

4. На основе анализа глубины проникновения магнитного поля в толщу гистерезисного слоя проведена оценка практического рабочего диапазона скорости вращения ЭМГМ.

5. Впервые произведена оценка теплового состояния ЭМГМ на основе сплава Fe-Cr-Co 22Х15КА в режиме ограничения вращающего момента приводного электродвигателя ЭПЗА.

Практическая ценность работы:

1. Разработана методика расчета ЭМГМ для ЭПЗА нефтегазопроводов.

2. Разработан алгоритм расчета ЭМГМ, работающих в диапазоне моментов, характерных для ЭПЗА нефтегазопроводов.

3. Получены регулировочные характеристики ЭМГМ на основе сплава Бе-Сг-Со 22Х15КА.

4. На основе анализа глубины проникновения магнитного поля в толщу гистерезисного слоя получено выражение, связывающее максимальный вращающий момент ЭМГМ на основе материала Fe-Co-Cr, со скоростью вращения приводного вала и числом зубцов индуктора.

На защиту выносятся:

1. Методика расчета ЭМГМ для ЭПЗА нефтегазопроводов.

2. Имитационная модель ЭМГМ с неподвижной обмоткой управления, позволяющая анализировать электромагнитные процессы в муфте.

3. Результаты оптимизации геометрических размеров зубцовой зоны с целью достижения максимального вращающего момента при фиксированных значениях габаритов и веса.

4. Результаты исследований процессов распространения магнитного поля в гистерезисном слое ЭМГМ в зависимости от частоты вращения ведущего вала относительно гистерезисного слоя, связанного с ведомым валом.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

1. 14th International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering, APEIE 2018 - Proceedings, г. Новосибирск

2. 19th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices June 29 - July 3, 2018, г. Новосибирск

3. 20th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices June 29 - July 3, 2019, г. Новосибирск

Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 7 публикациях, в том числе 3-х статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 4-х статьях, индексируемых в SCOPUS.

Внедрение результатов исследований.

Результаты диссертационной работы использованы на предприятии ООО НПО «Сибирский машиностроитель» для проектирования электроприводов запорной арматуры с использованием в качестве ограничителя момента запорного органа гистерезисной муфты, а также в учебном процессе инженерной школы энергетики НИ ТПУ при подготовке бакалавров по направлению 13.03.02 и магистров по направлению 13.04.02 (Электроэнергетика и электротехника) по профилям «Электрооборудование летательных аппаратов» и «Электротехнические комплексы автономных объектов».

Личный вклад автора. Автор диссертационной работы принимал непосредственное участие в теоретических исследованиях, разработке, планировании и проведении экспериментальных исследований, анализе и обобщении полученных данных, написании текстов статей и докладов. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат: математическая, имитационная модели и алгоритм расчета ЭМГМ, результаты оптимизации зубцовой зоны ЭМГМ, анализ электромагнитных процессов проникновения поля в толщу гистерезисного слоя ЭМГМ, оценка массогабаритных показателей ЭМГМ для различных конструкций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и 4 приложений. Объем диссертации составляет 126 страницы, включая 71 рисунку, 14 таблиц и список литературы из 77 наименований.

Структура диссертационной работы.

Во введении обоснована актуальность исследования, определены объект и предмет исследования, сформирована цель работы, основные задачи, научная новизна и практическая ценность исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ конструкций, основных особенностей эксплуатации и управления и требований к трубопроводной запорной арматуре. Весьма распространенным типом ЗА являются задвижки, число которых только в РФ исчисляется сотнями тысяч.

Проведен обзорный анализ ГМ, разработанных и изготовленных российскими и зарубежными авторами. Представлены основные сведения и характеристики деформируемого сплава типа Бе-Сг-Со, обладающий высокими механическими и стабильными магнитными свойствами в широком температурном диапазоне и с большими для гистерезисных материалов значениями удельных потерь на гистерезис.

Во второй главе проведено математическое и имитационное моделирование ЭМГМ. На основе разработанных конструкций составлены методики их расчетов. Разработана имитационная модель в программе ANSYS

MAXWELL с целью достижения максимального вращающего момента при минимальных габаритах и весе.

В третьей главе приведена оптимизация геометрических размеров зубцовой зоны. Для гистерезисных муфт на базе сплава Fe-Cr-Co 22Х15КА получены и проанализированы зависимости вращающего момента от геометрических параметров зубцовой зоны муфты. Для оценки эффективности использования гистерезисного материала авторами введен коэффициент использования гистерезисного слоя по тангенциальной составляющей магнитного поля. В программе ANSYS MAXWELL разработана имитационная модель электромагнитной гистерезисной муфты с неподвижной обмоткой управления, учитывающая параметры сплава Fe-Cr-Co 22Х15КА. С помощью разработанной модели получены оптимальные значения геометрических размеров зубцовой зоны. На основе уравнений Максвелла проведены исследования процессов распространения магнитного поля в гистерезисном слое ЭМГМ в зависимости от частоты вращения ведущего вала относительно гистерезисного слоя, связанного с ведомым валом.

В четвертой главе получены регулировочные характеристики ЭМГМ, проведено сравнение различных конструкций ЭМГМ по массогабаритным показателям и мощности управления. Проведена оценка теплового состояния ЭМГМ в режимах работы в составе ЭПЗА. Приведены варианты реализации ЭПЗА на основе ЭМГМ, а также результаты экспериментальных исследований.

В заключении сформулированы результаты диссертационного исследования.

ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ

1.1. Анализ трубопроводной арматуры: конструкция, основные особенности эксплуатации и управления

Весьма распространенной и интенсивно модернизируемой электромеханической системой является электропривод трубопроводной арматуры (ЭП ТА), предназначенной для управления потоками газов и жидкостей в трубопроводах. Управление реализуется в составе автоматизированных систем конкретного технологического процесса соответствующей отрасли промышленности (нефтегазовая, атомная, химическая, угольная и др.) или транспорта (железнодорожный, морской, авиационный, автомобильный, трубопроводный).

По области промышленного применения трубопроводная арматура (ТА) подразделяется на пароводяную, газовую, нефтяную, энергетическую, химическую, судовую и резервуарную [1-6].

По функциональному назначению ТА подразделяется на запорную, регулирующую, распределительную, предохранительную, защитную и фазоразделительную. Кроме основных видов ТА можно выделить и промежуточные: запорно-регулирующая, смесительная, пробно-спускная и другие.

Запорная арматура (ЗА) служит для перекрытия потоков жидкостей или газов и призвана обеспечивать надежное и полное перекрытие проходного сечения трубопровода. Принципиально она должна обеспечивать всего два состояния - открыта или закрыта - и может быть не предназначена для эксплуатации в промежуточном положении рабочего органа. Весьма распространенным типом ЗА являются задвижки, число которых только в РФ исчисляется сотнями тысяч [1, 2]. В нефтяной промышленности они применяются как на линейной части для отсекания участка трубопровода при ремонте или аварии, так и на нефтеперекачивающих станциях для распределения нефтепродуктов между резервуарами и нефтепроводами [7-10].

По своей конструкции задвижки представляет собой класс ЗА, в которых запорный орган совершает возвратно-поступательные движения перпендикулярно оси перемещения потока рабочей среды. На рисунке 1.1 представлен поперечный разрез задвижки, поясняющий особенности её конструкции. Выходной момент электропривода запорной арматуры (ЭПЗА) прикладывается к грузовой гайке 3, преобразующей вращательное движение в поступательное перемещение штока 2. Нижний конец штока перемещает запорный орган 1, образующий совместно с седлом 4 межуплотнительное пространство задвижки [1, 3].

А

Рис. 1.1. Конструкция задвижки клинового типа Задвижки делят на три типа в зависимости от формы и конструкции запорного органа: параллельные однодисковые, параллельные двухдисковые и клиновые задвижки.

Однодисковые задвижки обладают жёсткой конструкцией затвора и могут использоваться при больших рабочих давлениях и высоких диапазонах изменения температуры рабочей среды. Задвижки данного типа применяют в тех случаях, когда от ЗА не требуется достижения высокой герметичности. В России однодисковые задвижки получили наибольшее распространение на линейной части магистральных нефтепроводов [11, 12].

Задвижки двухдисковой конструкции позволяют получить хорошее уплотнение затвора в закрытом положении. Данный тип задвижек

устанавливается в основном в местах требующих, прежде всего, надёжной герметизации.

У клиновых задвижек, конструкция затвора имеет вид плоского «клина». В задвижках данного типа сёдла с их уплотнительными поверхностями параллельны уплотнительным поверхностям затвора. Уплотнительные поверхности седла и затвора расположены под углом 10-12 градусов к направлению перемещения затвора при перекрытии. Различают два типа клина: цельный и упругий. Вариант конструкции с цельным клином имеет ряд недостатков перед упругим: повышенный износ уплотнительных поверхностей и потребность в индивидуальной подгонке седла и клина при сборке для обеспечения герметичности, повышена вероятность заедания клина в закрытом положении в результате износа, коррозии или под воздействием перепадов температур.

В сравнении с параллельными дисковыми задвижками клиновые для достижения герметичности требуют при управлении затвором приложения меньшего усилия со стороны приводного устройства. Данная особенность позволяет уменьшить мощности приводных устройств, но одновременно требует решения технологических проблем получения высокоточного клинового соединения при изготовлении. Использование конструкции с упругим клином позволяет получить более плотное прилегание уплотнительных поверхностей благодаря наличию упругой деформации обеих составляющих клина.

Требования к параметрам эксплуатации клиновых задвижек перекрывают требования к задвижкам всех остальных типов. По этой причине в данной диссертационной работе под термином «задвижка», будет подразумеваться задвижка с затвором клиновой конструкции.

Эксплуатационный режим ЗА определяется степенью перекрытия транспортируемого по трубопроводу потока среды. При этом для задвижки приняты только два положения затвора: затвор не препятствует прохождению среды (нормально открытый затвор) и затвор препятствует прохождению среды

(нормально закрытый затвор). Регулирование дросселированием потока среды задвижкой, как правило, не допускается [12-15].

В качестве главного показателя качества работы задвижки рассматривается внутренняя герметичность, обеспечивающаяся за счет соединения уплотнительных поверхностей (герметизаторов) клина и седла задвижки [1-3].

Основным способом получения герметичности в затворе до недавнего времени считалось обеспечение контактного давления герметизации с учетом параметров и фактической точности герметизаторов. Это значит, что при создании герметичности основную роль играло то усилие, с которым сжимают между собой герметизаторы. Данный подход приводил к необходимости установки на арматуру приводов с показателями, завышенными по мощности.

Для каждого типа задвижек существует паспортное значение усилий уплотнения и срыва клина с уплотненного состояния. Данные усилия определяются материалами, применяемыми для изготовления уплотнительных поверхностей, их размерными характеристикам и другими факторами.

Для перемещения затвора из открытого положения в закрытое изначально необходимо развить усилие трогания, которое способно сдвинуть шток из исходного положения. Основные причины необходимости приложения усилия -сухое трение в резьбовом соединении «шток-гайка», появление ржавчины, попадание в него воды с последующем замерзанием и пр. Теоретически, усилия трогания могут достигать значений, способных деформировать корпус задвижки (стойки и подставка под ЭП, шток и т.д.). Как правило, отрыв происходит сразу, после чего начинается перемещение штока. При этом приводной механизм должен развивать момент, достаточный для преодоления сил сопротивления, в основном сил трения в резьбовом соединении «шток-гайка».

Силы трения при перемещении могут изменяться в зависимости от двух факторов:

1) состояния резьбы - сколы и прочие дефекты штока;

2) наличия давления рабочей среды на клин, ведущего к изгибанию штока и соответствующему увеличению сил трения в резьбовом соединении.

Данный фактор особенно характерен для шиберных задвижек, в которых запорный орган представляет пластину с проходным отверстием.

При подходе к крайнему положению «Закрыто» усилие на штоке и момент вращения начинают возрастать, что обусловлено посадкой клина в седло и уплотнением с целью достижения заданного уровня герметичности. В случае задвижки с параллельным запорным органом нарастание усилия и момента происходит очень резко, так как в конструкции нет демпфирующих элементов типа герметизаторов. Фактически, приводной механизм переходит в режим работы на упор.

Превышение допустимого усилия приводит к переходу упругой деформации в пластическую, что ведет к более полной герметизации, однако для следующего цикла усилие уплотнения должно быть еще большим, так как происходит изменение геометрических размеров герметизаторов. Заводы -изготовители допускают отклонение усилия герметизации не более, чем на 10% от паспортных значений уплотнения задвижки [1, 5, 7, 8]. Усилие отрыва должно быть достаточным и для выдвижения клина из седла, так как седло может изменить свои геометрические размеры под воздействием температуры.

Одним из основных условий повышения эксплуатационных свойств задвижки является совершенствование её приводного механизма, который своими перестановочными и уплотнительными усилиями может изменять геометрические размеры уплотняющих поверхностей затвора и тем самым влияет на эксплуатационные свойства трубопроводной арматуры. В качестве приводного механизма в современной ТА используются электроприводы (ЭП) с различными типами электродвигателей [12-18].

1.2. Управление запорной арматурой с помощью электроприводов

Электроприводы, применяемые для ЗА имеют мощность с 0,09 кВт до 7,5 кВт (таблица 1.1).

Таблица 1.1 - Технические параметры электроприводов некоторых производителей РФ

Производитель Мощность, кВт Диаметр трубопровода, Ду мм

ОАО «Пензтяжпромарматура» 0,09, 0,12, 0,18, 0,25, 0,55, 1,1, 1,5, 4,0, 5,5, 7,5 80-1200

ОАО «Пензтяжпромарматура» 0,12, 0,18, 0,25, 0,37, 0,55 50 - 500

ОАО «Благовещенский 0,18, 0,25, 0,55, 1,1, 1,5, 4, 50-700

арматурный завод» 5,5, 7,5

ОАО «Икар» 0,09, 0,12, 0,18, 0,25, 0,55, 1,1, 1,5, 4,0, 5,5, 7,5 50 - 800

ОАО «Самараволгомаш» 0,12, 0,18, 0,25, 0,55 50 - 400

ЗАО «Руст-95» 0,09 15 - 250

ЗАО «НПО Флейм» 0,55, 4, 5,5 7,5 50 - 250

АО «Указ» 0,25, 0,37, 0,55, 1,1, 1,5, 4, 5,5, 7,5 100 - 1200

ООО «Гусевский арматурный 0,12, 0,18, 0,25, 0,55, 1,1, 1,5, 50 - 600

завод» 4,0, 5,5

ЗАО «Алексинский завод тяжелой 0,12, 0,18, 0,25, 0,37, 0,55, 80 - 1200

промышленной арматуры» 1,1, 1,5, 4,0, 5,5, 7,5

ЗАО Чеховский завод 0,55, 1,1, 1,5, 4,0, 5,5, 7,5 100 - 450

«Машиностроитель»

ООО «ИК Энерпредярдос» 0,12, 0,25 50 - 150

ЗАО «ПО МЗТА» 0,18, 0,25, 0,55, 1,1, 1,5, 4,0, 5,5, 7,5 50 - 1200

ЗАО «Аркор» 0,18, 0,25, 0,55, 1,5, 4,0, 7,5 50 - 1200

ЗАО «Аркор» (краны шаровые) 0,12, 0,18, 0,25, 0,37, 0,55 25 -600

На рис. 1.2. представлены характерные для клиновой задвижки временные

диаграммы момента и скорости приводного электродвигателя ЭПЗА. Согласно диаграммам движение приводного двигателя начинается, например, из положения «Открыто», когда после возникновения динамического момента и установления постоянной скорости вращения в зоне старта ЭП работает с постоянной скоростью п и моментом М в зоне движения. Через некоторое время ЭП переходит в зону уплотнения с увеличением момента и снижением скорости приводного двигателя при постоянном моменте уплотнения. Таким образом, ЭПЗА должен:

а) переместить запорный орган из положения «Открыто» в положение «Закрыто» за время ¿пер, причем ^ < ¿пер < Ь, где ^определяется из условия отсутствия гидроудара в трубопроводе, а Ь - из условия рационального быстродействия процесса перекрытия трубопровода (например, для минимизации нахождения уплотнительных кольцевых поверхностей в зоне активного обтекания потоком, содержащим твердые включения). Очевидно, что 11= 112;

б) уплотнить клин задвижки с целью создания герметичности затвора (для клиновой задвижки) с требуемым для этого усилием. Очевидно, что выражение «уплотнить клин задвижки» соответствует в технологическом смысле выражению «положение «Закрыто». Это единственный критерий выполнения и завершения технологической операции «Закрыть», поскольку заглянуть глазами внутрь задвижки невозможно.

Рис. 1.2. Временные диаграммы момента и скорости приводного двигателя ЭПЗА Для выполнения а) и б) необходимо контролировать положение запорного органа и усилие, прилагаемое к штоку. В случае применения в приводе арматуры электродвигателя и отказа от датчиков положения (механических концевых выключателей) и датчиков прямого измерения механических усилий все информационное обеспечение (усилие, положение) может быть достигнуто косвенным измерением усилия в виде пересчета к моменту электродвигателя и датчиком положения (количества оборотов) вала электродвигателя

(промежуточной ступени редуктора) - энкодера. Очевидными дополнительными требованиями при этом являются:

1) энергонезависимость энкодера;

2) адекватность характеристики энкодера «положение -ток, напряжение, код» в реально возможных условиях эксплуатации арматуры;

3) возможность калибровки положения запорного органа;

4) адекватность вычислительной модели «момент приводного электродвигателя» в реально возможных условиях эксплуатации арматуры;

5) обеспечение требуемого момента (наличие запаса по моменту) электродвигателя в реально возможных условиях эксплуатации арматуры [12].

Диапазон, точность регулирования по моменту и дискретность задания величины момента уплотнения определяются паспортными данными на ЗА с одинаковым посадочным местом под ЭП. Для момента уплотнения разброс значений составляет от 20 до 100% от максимального момента. Согласно анализу паспортных данных на арматуру, дискретность задания и погрешность регулирования составляет порядка 1%.

Скорость вращения двигателя п должна быть достаточной для обеспечения заданного быстродействия, однако, при подходе к крайнему нижнему положению скорость желательно снижать в целях предупреждения гидравлического удара в трубе, кавитационного эффекта и передавливания уплотнительных поверхностей за счет энергии инерции двигателя, редуктора и штока. Максимальная скорость перекрытия также ограничивается допустимой скоростью вращения механических частей ЭП, в частности подшипников двигателя и деталей редуктора.

Одним из важных вопросов реализации ЭПЗА является выбор приводного двигателя. В работе [15] проведен анализ возможностей применения различных типов электрических машин в ЭПЗА. Обобщим выводы работы [ 15] с некоторыми комментариями.

Поскольку моменты уплотнения (вытяжки) для ЗА, применяемой в нефтяной и газовой отраслях, характеризуется значениями от 100 до 10000 Нм

при временах перекрытия сечения, не более 6-20 минут, то альтернативы применению редуктора в составе ЭПЗА нет. Известно, что удельные показатели редукторов по значениям Нм/кг значительно (практически, на порядок) превосходят подобные показатели для электрических машин. Поскольку при питании электрической машины от промышленной сети частотой 50 (60) Гц ее скорость вращения лежит в диапазоне «сотни-тысячи» оборотов в минуту, моменты, развиваемые электродвигателем составляют «единицы-десятки» Нм. Такие соотношения момента и скорости определяет мощность электрической машины «сотни Вт-единицы кВт». Как справедливо указано в работе [15], «... задача проектирования ЭП трубопроводной арматуры является оптимизационной в координатах «тип редуктора», «тип двигателя», «стоимость», «массогабаритные показатели», «эксплуатационные затраты», «надежность»».

Асинхронный двигатель (АД) является в настоящее время, пожалуй, самым распространённым ЭПЗА, благодаря простоте, низкой стоимости, наличию «естественного» пускового момента и возможности работы без промежуточных преобразователей энергии от промышленной трехфазной сети переменного тока. Недостатки АД для задач, возлагаемых на ЭПЗА:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Динь Конг Кюи, 2019 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Мустафин Ф. М. Трубопроводная арматура : учебное пособие / Ф. М. Мустафин. - Уфа : ГУП РБ УПК, УГНТУ, 2007. - 326 с.

2. Гуревич Д. Ф. Расчет и конструирование трубопроводной арматуры / Д. Ф. Гуревич. - 5-е изд. - М. : ЛКИ, 2008. -480 с.

3. Гуревич Д. Ф. Трубопроводная арматура : справочное пособие / Д. Ф. Гуревич. - 3-е изд. перераб. и доп. - М. : ЛКИ, 2008. - 368 с.

4. Гуревич Д. Ф. Справочник конструктора трубопроводной арматуры / Д. Ф. Гуревич, О. Н. Шпаков. - Л. : Машиностроение, 1987. - 517 с.

5. Слободкин М. С. Трубопроводная арматура : справочник / М. С. Слободкин. - М. : Машгиз, 1948. - 205 с.

6. Шпаков О. Н. Трубопроводная арматура : справочник специалиста / О. Н. Шпаков. - М. : КХТ, 2007. - 463 с.

7. Гошко А. И. Арматура трубопроводная целевого назначения. Выбор. Эксплуатация. Ремонт / А. И. Гошко. - М. : Машиностроение, 2003 - 432 с.

8. Сейнов С. В. Трубопроводная арматура: исследования, производство, ремонт / С. В. Сейнов. - М. : Машиностроение, 2002. - 392 с.

9. Васильев Г. Г. Трубопроводный транспорт нефти./ Г. Г. Васильев, Г. Е. Коробков, А. А. Коршак и др.; под ред. С.М. Вайнштока. - М. : ООО «Недра-Бизнесцентр», 2002. - 407 с.

10. Гумеров А. Г. Эксплуатация оборудования нефтеперекачивающих станций / Р. С. Гумеров, А. М. Акбердин. - М. : ООО «Недра-Бизнесцентр», 2001. - 475 с.

11. Смирнов А. О. Повышение работоспособности асинхронного электропривода трубопроводной арматуры при низких температурах : автореф. дис. ... канд. тех. наук : 05.09.03 / Смирнов Александр Олегович. - Томск, 2011. -20 с.

12. Гарганеев А. Г. Электропривод запорной арматуры / А. Г. Гарганеев, А. С. Каракулов, С. В. Ланграф. - Томск : ТПУ, 2013. -157 с.

13. Гарганеев А. Г. Синхронно-гистерезисный двигатель в электроприводе трубопроводной арматуры / А. Г. Гарганеев // Электронные средства и системы управления. - 2012. - № 1. - С. 95-99.

14. Garganeev A. G. Application synchronous-hysteresis motors as electrical drivers for tube armature / A. G. Garganeev // 11 -th International Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering, APEIE 2012 - 2012. - С. 135-137.

15. Гарганеев А. Г. Электропривод запорной арматуры как мехатронная система / А.Г. Гарганеев, А. С. Каракулов, С. В. Ланграф // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. - 2013. - № 2. - С. 180-187.

16. Гарганеев А. Г. Мехатронные системы с синхронно -гистерезисными двигателями : монография / А. Г. Гарганеев, С. В. Брованов, С. А. Харитонов. -Томск : Изд-во ТПУ, 2012. - 227 с.

17. Гарганеев А. Г. Перспективы развития мехатронных систем с синхронно-гистерезисными двигателями / А. Г. Гарганеев, Д. А Падалко, А. В. Черватюк //Доклады ТУСУР. - 2014. - № 2 (32). - С. 308-314.

18. Каракулов A. C. Разработка системы управления электроприводом запорной арматуры методом разделения математических моделей объектов управления / А. С. Каракулов, С. В. Ланграф // Известия ВУЗов. Электромеханика, №3, 2006. С. 54-56.

19. Елисеев В. А. Справочник по автоматизированному электроприводу / В. А. Елисеева и A. B. Шинянского. - М. : Энергоатомиздат, 1983. - 616 с.

20. Копылов И. П. Проектирование электрических машин : учебник для вузов / И. П. Копылов, Б. К. Клоков, В. П. Морозкин, Б. Ф. Токарев; под ред. И. П. Копылова. - 4-е изд., перераб. и доп. - М. : Высшая школа, 2005. - 767 с.

21. Гольдберг О. Д. Проектирование электрических машин : учебник / О. Д. Гольдберг, И. С. Свириденко. - 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Высшая школа, 2006. - 430 с.

22. Лебедев Н. И. Вентильные электрические машины / Н. И. Лебедев, В. М. Гандшу, Я. И. Явдошак. - СПб. : Наука, 1996. - 352 с.

23. Мастяев Н. З. Гистерезисные электродвигатели. Ч. 1 / Н. З. Мастяев, И. Н. Орлов. - М. : МЭИ, 1963. - 220 с.

24. Мастяев Н. З. Гистерезисные электродвигатели. Ч. 2 / Н. З. Мастяев, И. Н. Орлов. - М. : МЭИ, 1963. - 187 с.

25. Горжевский И. И.. Гистерезисные электродвигатели / И. И. Горжевский. - Москва, 1959. - 83 с.

26. Tear B. R. Theory of Hysteresis Motor Torque / B. R. Tear // AIEE Transaction. - 1940. - № 59. - С. 907-912.

27. Ланген A. M. Теория идеального гистерезисного двигателя // Электричество. - 1969. - № 6. - С. 7-18.

28. Щетинин Т. А. Электропривод с индукционными муфтами и тормозами / Т. А. Щетинин. - М. : Машиностроение, 1971. - 320 с.

29. Щетинин Т. А. Асинхронно-синхронные муфты с разветвленной магнитной системой / Т. А. Щетинин. - Москва, 1970. - 23 с.

30. Арнольд Р. Р. Расчет и проектирование магнитных систем с постоянными магнитами / Р. Р. Арнольд. - М. : Энергия, 1969. - 184 с.

31. Ганзбург Л. Б. Проектирование электромагнитных и магнитных механизмов: Справочник / Л. Б. Ганзбург, А. И. Федотов. - Л. : Машиностроение, 1980. - 364 с.

32. Воробьёва Т. М. Электромагнитные муфты / Т. М. Воробьёва. - М.; Л.: Госэнергоиздат, 1960. - 207 с.

33. Делекторский Б. А. Управляемый гистерезисный привод / Б. А. Делекторский, В. Н. Тарасов. - М. : Энергоатомиздат, 1983. - 128 с.

34. Мизюрин С. Р. Проектирование магнитно-гистерезисных муфт / С. Р. Мизюрин, М. А. Ермилов. - М. : Ротапринт, МАИ, 1966. - 123 с.

35. Кочергин В. В. Следящие системы с гистерезисными муфтами / В. В. Кочергин. - Л. : Энергоиздат, 1982. - 126 с.

36. HCF Series Hysteresis Clutches - Magtrol Inc. [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://www.magtrol.ru/files/tensioncontrol/hcf.pdf, (дата обращения: 20.01.17г).

37. Гарганеев А. Г. Электропривод задвижки трубопроводной арматуры с гистерезисной муфтой / А. Г. Гарганеев, Д. К. Кюи, Е. И. Кашин // Доклады ТУСУР. - 2018. - Т. 21, № 1. - С. 127-131.

38. Пат. № 5581139A США МПК7 H 02 K 49/04; H 02 K 15/00. Magnetic hysteresis clutch / Risto Toukola. ; заявл. 25.08.1993; опубл. 03.12.1996. - 9 с.

39. Пат. № 2912607A США МПК7 H 02 K 49/04. Hysteresis clutch / John E Duncan, N.Y. Buffalo. ; заявл. 05.07. 1956 ; опубл. 10.10.1959. - 5 с.

40. Пат. № US6208053B1 США, МПК7 Н 02 К 49/02. Adjustable torque hysteresis clutch / Craig Scott. ; заявл. 30.08.1999 ; опубл. 27.03.2001. - 11 с.

41. Пат. № 443445 РФ МПК7 Н 02 К 49/04. Электромагнитная гистерезисная муфта / В. С. Рыбаков и др. ; заявл. 12.05.1968; опубл. 15.09.1974. -

3 с.

42. Пат. № 442556 РФ МПК7 Н 02 К 49/04. Электромагнитная гистерезисная муфта - Р.Н. Ковалев и др. ; заявл. 13.12.1972; опубл. 05.09.1974. -2 с.

43. Пат. № 604098 РФ МПК7 Н 02 К 49/04. Управляемая гистерезисная муфта / В. Я. Яковлев.; заявл. 09.07.1976; опубл. 25.04.1978. - 3 с.

44. Пат. № 1011354 РФ МПК7 Н 02 К 49/04. Электромагнитная гистерезисная муфта / А. А. Корсмик и др. ; заявл. 06.10.1981; опубл. 28.02.1983. -

4 с.

45. Пат. № 434545 РФ МПК7 Н 02 К 49/04. Гистерезисная управляемая муфта / Н. В. Гордеев и др. ; заявл. 01.03.1972; опубл. 30.06.1974. - 4 с.

46. Пат. № 332552 РФ МПК Н 02 К 49/04. Электромагнитная гистерезисная муфта / А. А. Корсмик и др. ; заявл. 07.05.1970; опубл. 14.03.1972. -2 с.

47. Пат. № 544068 РФ МПК7 Н 02 К 49/04. Гистерезисная муфта / В. А. Яковлев. ; заявл. 21.01.1975; опубл. 25.01.1977. - 3 с.

48. Пат. № 983929 РФ МПК7 Н 02 К 49/04. Управляемая гистерезисная муфта / В. А. Яковлев. ; заявл. 13.07.1981; опубл. 23.01.1982. - 3 с.

49. Пат. № 1282275 РФ МПК7 Н 02 К 49/04 Управляемая гистерезисная муфта / В. А. Яковлев, А. Ф. Герасимов. ; заявл. 10.07.1985; опубл. 07.01.1987. - 3 с.

50. Garganeev A. G. Regulation Characteristics of Hysteresis Clutches Based on the Fe-Cr-Co Material / A. G. Garganeev, D. K. Kyui, E. I. Kashin, N. Y. Sipaylova // 2018 XIV International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE). - 2018. - C. 115 - 118.

51. Бурханов Г. С. Практика и дальнейшие перспективы промышленного использования высокопрочных наноструктурных магнитотвердых сплавов системы Fe-Cr-Co [Электронный ресурс] / Г. С. Бурханов, А. Г. Дормидонтов, И. М. Миляев и др. // Нанотехнол. общво России. - 2011. - Режим доступа: http :www.ntsr.info/science/library/3201.htm, свободный 05.11.2017.

52. Кавалерова Л. А. Сплавы для гистерезисных двигателей / Л. А. Кавалерова, И. А. Малько, И. М. Миляев и др. // Электронная промышленность. -1987. - Вып. 6(164). - С. 40 - 42.

53. Вомпе Т. А. Разработка и исследование низкокобальтовых магнитотвёрдых Fe-Cr-Co сплавов : автореф. дис. ... канд. тех. наук : 05.16.01 / Вомпе Татьяна Алексеевна. - Москва, 2018. 26 с.

54. Миляев И. М. Магнитные гистерезисные и механические свойства магнитотвёрдого сплава 27Х15К2МСТФ / И. М. Миляев, В. С. Юсупов, С. Ю. Останин, С. И. Стельмашок, А. И. Миляев, Н. В. Лайшева // Физика и химия обработки материалов. - 2017. -№ 1. - С. 69-76.

55. Гарганеев А. Г. Анализ процессов намагничивания гистерезисного слоя в электромагнитной муфте на основе материала Fe-Co-Cr / А. Г. Гарганеев, Д. К. Кюи. // Электропитание - 2019. - №1 - C. 35-44.

56. Буль О. Б. Методы расчета магнитных систем электрических аппаратов; Программа ANSYS : учебное пособие / О. Б. Буль. - М. : Академия, 2006. - 286 с.

57. Патент 3934833A США МПК7 В 65 Н 19/04. Hysteresis clutch for film winding / James L. и др. ; заявл. 27.09.1974; опубл. 27.01.1976. - 5 с.

58. Патент 3700941A США МПК7 Н 02 К 49/02. Adjustable hysteresis clutch and brake / John E. Duncan. ; заявл. 03.02.1971; опубл. 24.10.1972. - 9 с.

59. Патент 02299457A Япония МПК7 Н 02 К 49/02 - Hysteresis magnetic coupling / Yoshio Ishigaki, Masami Oguriyama. ; заявл. 03.06.1984; опубл. 19.12.1984. - 2 с.

60. Garganeev A. G. Hysteresis clutch in the electric drive of pipeline valves / A. G. Garganeev, D. K. Kyui, E. I. Kashin, N. Y. Sipaylova // 19th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices, EDM. - 2018. - C. 655-658.

61. Garganeev A. G. Simulation of Hysteresis Clutches in ANSYS MAXWEL / A. G. Garganeev, D. K. Kyui, N. Y. Sipaylova, D. N. Fedorov // 20th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices, EDM. - 2019. С. 731-734.

62. Гарганеев А. Г. Гистерезисные муфты на основе материала Fe-Cr-Co / А. Г. Гарганеев, Д. К. Кюи, Е. И. Кашин, Н. Ю. Сипайлова // Горное оборудование и электромеханика - 2018. - № 4 (138). - С. 33-38.

63. Гарганеев А. Г. Оптимизация геометрии зубцовой зоны гистерезисной муфты запорной арматуры нефтепровода / А. Г. Гарганеев, Д. К. Кюи, Е. И. Кашин, Н. Ю. Сипайлова // Известия Томского политехнического университета. -2019. - Т. 330. - № 7. - С. 155-164.

64. Аркадьев В. К. Электромагнитные процессы в металлах. Ч. 1. Постоянное электрическое и магнитное поле / В. К. Аркадьев. - М., Л. : НКТП СССР. ОНТИ. Гл. ред. энергет. лит., 1934. - 230 с.

65. Поливанов К. М. Теоретические основы электротехники. Часть 3. Теория электро-магнитного поля / К. М. Поливанов. - М. : Энергия. 1969, - 352 с.

66. Нейман Л. Р. Теоретические основы электротехники. Ч. 3 : Теория электромагнитного поля / Л. Р. Нейман, П. Л. Калантаров. - 5-е изд., перераб. -М.; Л. : Госэнергоиздат, 1959. - 232 с.

67. Брунов Б. Я. Теория электромагнитного поля / Б. Я. Брунов, Л. М. Гольденберг, И. Г. Кляцкин, Л. А. Цейтлин; под ред. И. Г. Кляцкина. - М.; Л. : Госэнергоиздат, 1962. - 512 с.

68. Кифер И. И. Испытания ферромагнитных материалов / И. И. Кифер, В. С. Пантюшин. - Л.: Госэнергоиздат, 1955. - 240 с.

69. Молотилова Б. В. Прецизионные сплавы : справочник / Б. В. Молотилова. - Москва : Металлургия, 1974. - 448 с.

70. Чунихин А. А. Электрические аппараты: учебное пособие / А. А. Чунихин. - 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Энергоатомиздат, 1988. - 720 с.

71. Залесский А. М. Тепловые расчеты электрических аппаратов / А. М. Залесский, Г. А. Кукеков. - Л. : Энергия, 1967. - 378 с.

72. Сахаров П. В. Проектирование электрических аппаратов : учебное пособие / П. В. Сахаров. - М. : Энергия, 1971. - 560 с.

73. Васютинский С. Б. Вопросы теории и расчета трансформаторов / С. Б. Васютинский. - Л. : Энергия, 1970. - 432 с.

74. Михеев М. А. Основы теплопередачи / М. А. Михеев, И. М. Михеева. - 2-е изд., стер. - М. : Энергия, 1977. - 344 с.

75. Чередниченко В. С. Теплопередача учебное пособие для вузов: в 2 ч. Ч.1: Основы теории теплопередачи / В. С. Чередниченко [и др.]. - 2-е изд., перераб. и доп. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2008. - 232 с.

76. ГОСТ 24897-81 Материалы магнитотвердые деформируемые. Марки, технические требования и методы контроля. - М. : Изд-во стандартов, 1981. - 20 с.

77. Зиновьев Г. С. Основы силовой электроники: учебник. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999. Ч.1. - 199 с.

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Настоящим актом удостоверяется, что материалы диссертационной работы «Регулируемая гистерезисная муфта в системе привода запорной арматуры» Д.К. Кюи, специальность 05.09.01 -«Электромеханика и электрические аппараты», используются в учебном процессе Инженерной школы энергетики НИ ТПУ при подготовке бакалавров по направлению 13.03.02 и магистров по направлению 13.04.02 (Электроэнергетика и электротехника) по профилям «Электрооборудование летательных аппаратов» и «Электротехнические комплексы автономных объектов» при изучении дисциплин «Мехатронные системы летательных аппаратов» и «Инженерное проектирование электрических машин и аппаратов».

АКТ

использования результатов диссертационной работы Динь Конг Кюи

«Регулируемая гистерезисная муфта в системе привода запорной арматуры»

в учебном процессе ТПУ

Аг.С. Матвеев

И.о. руководителя отделения электроэнергетики и электротехники к.т.н., доцент

А.С. Ивашутенко

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Расчет погрешности расчетов математической, имитационной

и экспериментальной модели

Ток управления, А Вращающий момент, мН.м Относительная погрешность, %

Mathcad ANSYS Эксперименты ANSYS Эксперименты

0 0 0 0 0 0

1 1 1 1,1 0 10

2 2,4 2.2 2,6 8.33 8.33

3 6,7 7 5.5 4.48 17.91

3,5 10,4 11 9 5.77 13.46

4 15 16 17 6.67 13.33

4,5 19,7 20 22 1.52 11.68

5 24 24 25 0 4.17

5.5 27.7 27.5 - 0.72 -

6 31.1 30 - 3.54 -

6.5 34.2 32 - 6.43 -

7 38 34 - 10.53 -

Средняя квадратическая погрешность, % 5,52 11,97

Интегральная погрешность, % 1.79 2.97